川西亚高山暗针叶成熟林碳利用效率时空动态及其影响因子
文献类型：学位论文
| 作者 | 舒树淼 |
| 答辩日期 | 2020 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 朱万泽 |
| 关键词 | 碳利用效率 净初级生产力 呼吸碳消耗 峨眉冷杉成熟林 川西贡嘎山 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 生态学 |
| 其他题名 | Temporal and Spatial Dynamics of Carbon Use Efficiency and Its Influencing Factors of Mature Subalpine Dark Coniferous Forests in Western Sichuan |
| 英文摘要 | 碳利用效率（CUE）是植被生态系统的一个重要功能参数，适用于评估和预测植被碳源/汇功能。碳利用效率已引起森林生态系统碳循环和全球变化研究的广泛关注。成熟森林在维持生物多样性和长期碳平衡中发挥着极其重要的作用。成熟林CUE能在很大程度上反映森林碳源/汇功能的形成机制，其变化关系到区域乃至全球的碳循环和生态平衡。亚高山暗针叶林是西南林区的主体构成部分，川西亚高山针叶林中，近、成、过熟林面积占比达60%以上。开展川西亚高山暗针叶成熟林CUE研究不仅有利于理解森林碳源汇形成机制，而且还能为近自然林管理策略的发展提供理论及实践依据。本研究主要以川西贡嘎山峨眉冷杉（Abies fabri）成熟林为对象，采用生物计量法和涡度相关法，基于异速代谢理论 (MTE)，研究了成熟林生态系统CUE动态变化特征及其影响因子，提出并验证了植物、林分CUE模型及临界假说，得到了长时间尺度上不同海拔树木和林分CUE形成机制。研究主要结论如下：（1）揭示了峨眉冷杉成熟林乔木层及其不同组成的CUE季节动态和影响因子。峨眉冷杉成熟林乔木层及其树干、细根CUE具有相似的季节变化，且均与月均气温或土温呈正相关关系，而针叶CUE季节变化与降雨量呈负相关关系，各器官CUE在0.30 ～ 0.60之间。乔木层CUE（CUEtr）季节动态主要取决于树干和细根CUE变化，细根CUE与针叶CUE呈负相关。林分不同径级树木及其树干和针叶年CUE均随树木直径的增大而明显下降。峨眉冷杉小树、中树和大树CUE存在明显差异，分别集中在0.54，0.43和0.34左右。（2）澄清了峨眉冷杉成熟林生态系统及其不同层次的CUE季节动态动和影响因子。成熟林碳收支（GPP和自养呼吸）及其CUE均随月均气温的增加而增加。全年、生长季、非生长季成熟林生态系统CUE（CUEeco）分别为0.32 ± 0.02、0.34 ± 0.06、0.21 ± 0.16；林分CUE（CUEf）分别为0.41 ± 0.01，0.43 ± 0.04和0.31 ± 0.06。灌草层全年CUE（CUEsh）保持在0.40以上，生长季CUEsh与气温呈负相关关系，非生长季CUEsh与气温呈正相关关系。土壤具有较大的碳储存能力，土壤月固碳动态取决于林分NPP和异养呼吸之比，与土温呈正相关，在非生长季土壤表现为轻微的碳源。（3）分析了成熟林生态系统不同层次CUE及其对CUEeco的作用。在全年尺度上，CUEtr和土壤固碳能力分别受气温和土温的正影响，CUEsh随CUEtr的提高而提高，并受降水的负影响。CUEsh、CUEtr和NPP/Rh可解释CUEeco变化的85％。在生长季，CUEtr是影响NPP/Rh和CUEeco的主要因子，随CUEtr的增加，NPP/Rh呈减少趋势，而CUEeco呈增加趋势；受气温影响的CUEtr是决定CUEeco的关键，能解释其变化的74％。在非生长季，CUEeco由CUEsh和土壤固碳能力共同决定，受气温和降水影响的土壤固碳能力对CUEeco起主要作用，能解释其变化的79％。（4）提出了植物CUE模型和林分CUE临界假说。基于植物异速代谢理论和有机体呼吸与生长关系，推导了迭代生长模型（IGM）。在此基础上，提出了植物CUE模型和林分CUE临界假说。CUE模型表明，植物CUE是由植物当前生物量与其潜在最大生物量之比决定的（m/M），在异速代谢的框架下，植物CUE随着m/M的增加（或植物的生长）而下降。除了生长外，m/M还与植物代谢指数b*、维持呼吸系数mr和生长呼吸系数gr有关。林分CUE临界假说认为，在干扰和竞争的持续作用下，m/M的增加受阻，其值有较大概率趋于0.37。在gr = 0.33的情况下，林分或生态系统CUE分别呈以0.40和小于0.40的某值为中心的正态分布。全球成熟林林分及生态系统CUE分别呈以0.36 ± 0.11和0.198 ± 0.13为均值的正态分布，支持森林CUE临界假说。（5）模拟了长时间尺度下不同海拔峨眉冷杉树木的生长与CUE动态。在贡嘎山海拔2900 m到3600 m（林线）的垂直梯度上，峨眉冷杉树木近百年的平均生长轨迹符合IGM（b* = 0.75），其中海拔3300 m树木CUE平均动态与实测结果吻合。各海拔树木平均CUE动态随树木的生长而降低，其下降陡度由树木潜在最大生物量M决定。在较大的时间尺度上，M与受光竞争、树干几何形态和水分影响的树冠和边材有关，表现为树木的相对树冠体积越大，或边材越少，则CUE随树木大小的下降陡度就越小。在不考虑其它限制因子的作用下，峨眉冷杉CUE下降至0的最大历时可超过2000年。但在实际中，由水力限制导致的营养短缺和树木寿命限制可能会引起树木CUE的提前降低和直接终止。此外，个体树木的生长轨迹存在较多改变，可能会导致其CUE动态呈现波动。（6）量化了长时间尺度下树木个体大小结构对林分CUE的影响，并计算了不同海拔峨眉冷杉成熟林CUE。林分潜在最大生物量Xmax季节动态对气温变化的高度敏感性，是导致林分CUE随气温而波动的主要原因。然而，在长时间尺度上，林分CUE更多依赖于树木死亡与更新之间的平衡，随着树木的生长，林分CUE因为稳定的树木个体大小结构而趋于稳定，直接支持林分CUE临界假说，并在一定程度上协调了植被恒定和变化CUE两种观点的矛盾。在此基础上，根据各海拔树木大小结构信息，估算川西亚高山峨眉冷杉成熟林CUE为0.42 ± 0.062。综合以上结论，本研究认为川西亚高山暗针叶成熟林林分CUE可保持在0.42左右。在较短时间尺度下，增温能提高树木的潜在最大生物量，从而促进成熟林林分NPP和CUE；在较长时间尺度下，适当的干扰与竞争有利于成熟林林分CUE的维持。林分CUE的提高对成熟森林土壤固碳能力及生态系统CUE有正影响。由于土壤拥有较大的碳蓄存空间，故森林生态系统可长期稳定固碳。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 203 |
| 源URL | [http://ir.imde.ac.cn/handle/131551/55035]  |
| 专题 | 成都山地灾害与环境研究所_山地表生过程与生态调控重点实验室 |
| 作者单位 | 中国科学院成都山地灾害与环境研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 舒树淼. 川西亚高山暗针叶成熟林碳利用效率时空动态及其影响因子[D]. 北京. 中国科学院大学. 2020. |
入库方式： OAI收割
来源：成都山地灾害与环境研究所
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